Parte 2. Emulsões estabilizadas por caseinato de sódio utilizando altas pressões de
4.2.3. Distribuição de tamanho de gotas e microscopia
A distribuição de tamanho de gotas é um parâmetro muito importante para diversas propriedades das emulsões como, por exemplo, vida de prateleira, aparência, textura e aroma. Consequentemente, é fundamental que se possa controlar e medir com precisão o tamanho das gotas em emulsões (MCCLEMENTS, 2005). As microscopias (Figura 4.5) mostraram que as microestruturas das emulsões eram polidispersas, ou seja, apresentaram diferentes tamanhos de gotas e/ou agregados. A polidispersão foi mais pronunciada em pH 3 e 5 (Figura 4.5) condições
44
em que essas emulsões apresentaram estrutura bastante diferenciadas, com a formação de uma rede típica de gel, principalmente em pH 5, condição que a amostra encontra-se próxima ao pI da proteína. Assim, vale ressaltar que o diâmetro médio superficial das gotas, nessas condições de pH, pode estar mascarado devido aos clusters de proteína que poderiam se sobrepor as gotas de óleo.
A Figura 4.6 mostra a polidispersão das gotas de todas as emulsões formadas. As emulsões em pH 3 apresentaram um volume elevado de gotas com diâmetro entre 10 - 60 µm e 30 - 200 µm para as emulsões com 1 e 4% caseinato de sódio, respectivamente. Além disso, a emulsão estabilizada com 1% de proteína não apresentou uma distribuição monomodal, com a formação de quatro picos, sendo os dois primeiros com diâmetro menor do que 5 µm e o quarto pico com diâmetro de gotas maior do que 200 µm. Esse resultado indica a formação de agregados de gotas, que ocasiona a desestabilização por floculação das emulsões, conforme observado nos resultados de índice de cremeação, composição de fases e microscopia. O aparecimento desses picos com menor diâmetro pode estar associado a proteínas não adsorvidas que se agregaram, ocorrendo a floculação por depleção (DICKINSON, 2006).
Já em pH 5 as emulsões apresentaram um volume elevado de gotas com diâmetro entre 40 - 300 µm e 40 - 500 µm para as emulsões com 1 e 4% caseinato de sódio, respectivamente. Os maiores tamanhos de gotas em relação aos outros valores de pH podem estar associados à agregação das proteínas. A maior concentração de proteína levou a uma maior largura (span) ou polidispersão na curva de distribuição de tamanho, o que pode indicar a ocorrência de floculação por depleção devido ao excesso de caseinato de sódio.
Já as emulsões em pH 7 apresentaram distribuição bimodal, com volume elevado de gotas entre 0,4 - 2 µm e 0,2 - 0,8 µm para 1 e 4% caseinato de sódio, respectivamente, sendo que o aparecimento de outros picos pode estar associado à agregação das gotas ou de partículas de proteínas não adsorvidas. Contudo, esses diâmetros médios foram inferiores quando comparados aos valores em pH 3 e 5. O reduzido tamanho de gotas provoca redução na força de gravidade, o que inibe o processo de cremeação ou sedimentação e pode prevenir o processo de floculação, evitando a separação de fases (TADROS et al, 2004).
45
Figura 4.5. Microestruturas das emulsões com 4% de CN-Na e da fase superior das emulsões com 1% de
46
Figura 4.6. Distribuição do tamanho de gotas para as emulsões estabilizadas com 1% (—) e 4% (– –) de
caseinato de sódio em diferentes valores de pH (3, 5 e 7).
0 2 4 6 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 V o lu m e (%) Tamanho de gotas (µm) pH 3 0 2 4 6 8 10 12 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 V o lu m e (%) Tamanho de gotas (µm) pH 5 0 2 4 6 8 10 12 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 V o lu m e (%) Tamanho de gotas (µm) pH 7
47
Perrechil (2008) verificou que macroemulsões contendo 30% de óleo (m/v) estabilizadas com 1% e 4% (m/m) de caseinato de sódio em pH neutro (pH 7) apresentaram diâmetro médio superficial de gotas de 14,41 e 10,74 µm, respectivamente. A produção de emulsões estabilizadas com proteína utilizando-se o sistema rotor-estator, usado no trabalho de Perrechil (2008), não viabiliza a formação de gotas com menores diâmetros, o que pode ser obtido com o uso de homogeneização a altas pressões. A Tabela 4.6 apresenta o tamanho médio superficial das gotas das emulsões obtidas através de homogeneização a alta pressão (600/50 bar). Os elevados diâmetros médios de gotas a pH 3 e 5 confirmam o observado nas micrografias da Figura 4.5. Comparando os valores de d32 obtidos por Perrechil (2008) com os do presente trabalho, pode-se
verificar que houve uma considerável redução do tamanho médio das gotas das emulsões com o uso de alta pressão a pH 7. Como boa parte da energia adicionada no processo é dissipada na forma de calor, a menor energia usada no sistema rotor-estator comparada à alta pressão não fornece a energia livre necessária para criar uma grande área interfacial (ANTON et al., 2008) que seja capaz de reduzir o tamanho das gotas e consequentemente obter-se a estabilidade cinética da emulsão.
Tabela 4.6. Tamanho médio superficial das gotas d32 (µm) das emulsões estabilizadas por
caseinato de sódio. % proteína (m/m) pH 3 5 7 1 6,14 ± 0,72 34,17 ± 2,95 1,10 ± 0,05 4 19,93 ± 1,27 106,93 ± 9,54 0,44 ± 0,04 4.2.4. Reologia
Medidas reológicas para obtenção das curvas de escoamento foram realizadas para as emulsões que permaneceram estáveis e para a fase superior daquelas que apresentaram separação de fases (Figura 4.7). Como descrito anteriormente para as macroemulsões (item 4.1.3), as
48
emulsões homogeneizadas a altas pressões foram submetidas a diferentes ciclos de tensão de cisalhamento (subida 1, descida e subida 2) para verificar comportamento dependente do tempo de cisalhamento. As emulsões em pH 3 e 5 apresentaram uma ruptura estrutural com a aplicação do cisalhamento, resultando na redução da viscosidade aparente entre a subida 1 e a descida, o que indica a presença de tixotropia. Essa quebra está associada à destruição da rede de gel formada nesses dois valores de pH. Emulsões que exibem esse tipo de comportamento muitas vezes contêm partículas que estão agregadas por interações fracas (MCCLEMENTS, 2005). Quando essas interações entre as partículas são rompidas pelo cisalhamento, ocorre a diminuição da resistência ao escoamento e assim a redução da viscosidade aparente (NORDE, 2003; MCCLEMENTS, 2005). Já as emulsões em pH 7 não apresentaram dependência em relação ao tempo de cisalhamento, ou seja, a viscosidade variou somente com a taxa de deformação e as três rampas mostraram sobreposição, diferentemente das macroemulsões tratadas nas mesmas condições. Esse comportamento independente do tempo de cisalhamento pode estar associado ao menor diâmetro superficial das gotas das emulsões submetidas à alta pressão de homogeneização em pH 7.
Eliminando a dependência do tempo, foram obtidas as curvas de escoamento em regime estacionário. Pela Figura 4.8 pode-se observar que, dentro do intervalo de taxa de cisalhamento estudado, a maior parte das emulsões apresentou comportamento de fluido pseudoplástico (n < 1). No entanto, as emulsões com 1% de proteína em pH 7 comportaram-se como fluido Newtoniano e em pH 5 como fluido dilatante (n > 1), como observado na microscopia (Figura 4.5) pela estrutura diferenciada. As emulsões com comportamento pseudoplástico foram ajustadas ao modelo Lei da Potência (Equação 4) apresentando coeficiente de determinação (R2) maior que 0,99, sendo os parâmetros apresentados na Tabela 4.7, juntamente com a viscosidade aparente (η100) a 100 s-1.
Esse tipo de comportamento pseudoplástico é o mais comum para a maioria das emulsões alimentícias. A pseudoplasticidade pode ocorrer por uma variedade de razões como, por exemplo, alteração da distribuição espacial das gotas devido à aplicação de cisalhamento, alinhamento de gotas não esféricas, remoção de moléculas de solventes ligados às gotas ou deformação e
49
rompimento dos flocos (HUNTER, 1993; MEWIS & MACOSKO, 1994; NEWSTEIN et al., 1999).
Já em pH 5, próximo ao ponto isoelétrico do caseinato de sódio, a emulsão estabilizada com 4% de proteína apresentou comportamento reológico de fluido complexo com tensão residual (PERRECHIL & CUNHA, 2010), não sendo possível o ajuste a um modelo reológico, devido à formação de uma rede de gel.
Figura 4.7. Curvas de escoamento das emulsões O/A para avaliação da dependência do tempo de
cisalhamento. Emulsões com (A)1% de CN-Na em pH 3 (fase superior), (B) 4% de CN-Na em pH 3, (C) 1% de CN-Na em pH 5 (fase superior), (D) 4% de CN-Na em pH 5, (E) 1% de CN-Na em pH 7 e (F) 4% de CN-Na em pH 7.
50
Figura 4.8. Curvas de escoamento em estado estacionário das emulsões O/A. pH: (□) 3, (∆) 5 e (◊) 7.
Concentração de proteína: 1% símbolos abertos e 4% símbolos fechados. Com 1% de CN-Na em pH 3 e 5 está apresentado o comportamento da fase superior.
As emulsões homogeneizadas a alta pressão (600 bar), que apresentaram comportamento pseudoplástico, tiveram uma redução no índice de consistência (k) e na viscosidade aparente a 100 s-1 quando comparadas às macroemulsões estudadas anteriormente. Este comportamento é explicado pela estrutura das emulsões, que passaram a apresentar menores diâmetros de gota com o uso da homogeneização ou elevada energia mecânica (SANTANA et al., 2011).
Para as emulsões que apresentaram separação de fases, também foram obtidas curvas de escoamento em estado estacionário para a fase inferior (Tabela 4.7). As curvas de escoamento também foram ajustadas ao modelo Lei da Potência assim como a fase inferior das macroemulsões, apresentando semelhanças com os parâmetros ajustados anteriormente (Tabela 4.3). A pseudoplasticidade é explicada pela quantidade de proteína na fase inferior que interage com a água (Tabela 4.5).
A Figura 4.9 ilustra o perfil de comportamento da viscosidade aparente com a taxa de deformação aplicada. Pode-se observar que o aumento da concentração de proteína ocasionou no aumento da viscosidade aparente, ocasionando no aumento da estabilidade das emulsões por efeito estérico. Para as condições de pH próximo e abaixo do pI (pH 5 e 3), quando houve a formação de uma emulsão tipo gel, a viscosidade aparente foi muito superior a das emulsões em
51
pH acima do pI (pH 7) (Tabela 4.7). O aumento da viscosidade está associado ao mecanismo de floculação, que é confirmado pelo maior diâmetro das gotas e pelo comportamento pseudoplástico das emulsões. Eliot & Dickinson (2003) verificaram que a redução do pH de 7 para 5,8 em emulsões estabilizadas por caseinato de sódio levou à redução da força de interação (floculação) entre as gotas e como consequência uma mudança no comportamento reológico das emulsões, de pseudoplástico para Newtoniano. No entanto, a acidificação abaixo de pH 5,5 levou à refloculação da emulsão e à agregação das gotas. O mecanismo de desestabilização por floculação é induzido pela redução do pH para o ponto isoelétrico, que leva à redução da densidade de carga da superfície da gota e, assim, à perda da estabilização eletrostática (DICKINSON, 2006). Contudo, é importante ressaltar que para as emulsões estabilizadas com 1% de caseinato de sódio, que apresentaram separação de fases, a viscosidade aparente em pH 3 e 5 foi obtida somente da fase creme superior.
Tabela 4.7. Efeito da concentração de proteína e do pH nos parâmetros reológicos ajustados ao modelo Lei da Potência das emulsões estabilizadas por caseinato de sódio.
Fase superior Fase inferior
Proteína (% m/m) pH k (Pa.s n ) n η100 (Pa.s) k (Pa.sn) n η100 (mPa.s) 1 3 2,95Aa 0,28Aa 0,11Aa 0,0021A 0,87A 1,14A 5 0,08B 1,28B 0,27Ba 0,0017A 0,89A 1,00B 7 0,003 1 0,003Ca - - - 4 3 1,03Ab 0,68Ab 0,23Ab - - - 5 - - 0,63Bb - - - 7 0,26B 0,69A 0,06Cb - - -
Letras diferentes indicam diferenças significativas (p < 0,05). Letras maiúsculas: diferenças entre os valores de pH para uma mesma concentração de proteína. Letras minúsculas: diferenças entre concentrações de proteína para um valor de pH fixo.
52
Figura 4.9. Efeito da concentração de proteína e do pH na viscosidade aparente das emulsões
homogeneizadas. pH: (◊) 3, (□) 5 e (○) 7. Concentração de proteína: 1% símbolos abertos e 4% símbolos fechados. Com 1% de CN-Na e pH 3 ou 5 está apresentado a viscosidade da fase superior.
As medidas reológicas dinâmicas das emulsões estão apresentadas nas Figuras 4.10 e 4.11, sendo que o módulo de armazenamento ou elástico (G’) foi maior que o módulo de dissipação ou viscoso (G”) em função da frequência para todas as condições estudadas, indicando um comportamento de um sistema mais estruturado. A Figura 4.10 apresenta o comportamento da emulsão estabilizada com 4% de caseinato de sódio em pH 7, a qual representa o comportamento típico das outras emulsões estudadas.
Em pH 7, o módulo elástico (G’) e o módulo viscoso (G”) se cruzaram em aproximadamente 0,02 Hz, mas a partir desse ponto o G’ foi maior do que o G” . Santana et al. (2011) verificaram que emulsões estabilizadas com fibra de colágeno a altas pressões de homogeneização apresentaram comportamento de solução concentrada (gel) com o módulo elástico maior do que o módulo viscoso. Esse mesmo comportamento também foi observado nas macroemulsões estabilizadas por caseinato de sódio, estudadas por Perrechil & Cunha (2010). As curvas de G’ e G” em função da frequência referentes às outras amostras estão apresentadas no
53
Anexo 1, sendo que o módulo elástico foi cerca de 10 vezes maior do que o módulo viscoso, indicando que as emulsões apresentaram comportamento de solução concentrada (gel).
Os valores de módulo complexo (G*) das emulsões em pH 3 e 5 não apresentaram dependência em relação à frequência (Figura 4.11), sendo que a maior concentração de proteína levou à formação de uma estrutura mais rígida e mais estável, como observado no ensaio de estabilidade e viscosidade. Perrechil & Cunha (2010) também concluíram que a redução do pH para valores próximos ao pI levou à formação de macroemulsões de caseinato de sódio mais estruturadas, comportando-se como uma rede de gel. Já para as emulsões com 1% de caseinato de sódio, que apresentaram separação de fases, os valores de G* tenderam a ser menores, apesar de não serem dependentes da frequência.
As emulsões em pH 7 apresentaram valores de módulo complexo dependentes da frequência, sendo que o G* aumentou com o aumento da frequência aplicada (Figura 4.11). Esse comportamento de solução mais diluída está associado à menor viscosidade e menor tamanho médio de gotas das emulsões.
Figura 4.10. Propriedades reológicas dinâmicas do comportamento de emulsão estabilizada com 4% de
54
Figura 4.11. Influência da concentração de proteína e do pH no módulo complexo (G*) das emulsões
O/A. pH: (□) 3, (∆) 5 e (◊) 7. Concentração de proteína: 1% símbolos abertos e 4% símbolos fechados. Com 1% de CN-Na e pH 3 ou 5 está apresentado o comportamento da fase superior.
55